一種自適應低損耗三維有源光網絡結構設計

王 萍，蔣 林，山 蕊，楊博文，付怡雯

(1.西安郵電大學 電子工程學院，西安 710121; 2.西安科技大學 集成電路實驗室，西安 710600)

0 引 言

計算密集型應用對大量數據并行處理和實時性傳輸要求不斷提高。針對遠距離和大流量通信，電互連方式傳輸時間長，帶寬受限；光互連在延遲、串擾和能耗等方面性能更佳。但是，片上光器件發(fā)展不成熟，如光邏輯運算單元、光存儲和波長資源有限等，影響著光網絡的整體性能[1-4]。

為解決光存儲問題，利用“電控制光”思想，通過配置路由器完成源節(jié)點到目的節(jié)點之間的路徑建立、響應和撤銷及光路由器中微環(huán)諧振器(Micro-ring Resonator , MR)開關狀態(tài)控制。文獻[5-8]通過增加多條備選路徑優(yōu)化路由計算過程，減少阻塞概率和路徑建立時間。但多個節(jié)點向同一個節(jié)點通信時，備選路徑固定，路徑建立時間長，阻塞幾率大；文獻[9]的7端口光路由器，MR數量為36，交叉波導和彎曲波導數量多；文獻[10]和[11]設計的光路由器結構類似，MR、交叉波導和彎曲波導數量大，還需要額外的光終端；文獻[12]的6端口光路由器結構，由于存在環(huán)形波導，增加了串擾風險。

本文基于XYZ確定路由算法，提出了一種自適應路由算法，根據節(jié)點阻塞情況，自主選擇無阻塞、短距離的端口進行輸出；利用MR的多角度耦合特性，分別設計層內和層間光路由器，避免環(huán)形波導出現。

1 自適應低損耗三維有源光網絡結構

自適應低損耗有源光網絡由光路由器互連的光網絡層和電配置路由器互連的電配置網絡層組成，利用電配置路由器進行傳輸路徑建立、響應和撤銷，并協(xié)同配置對應光路由器的光鏈路，進行數據光傳輸。三維有源光網絡不同于二維網絡，第2層增加層間光路由器和對應電配置路由器進行層間數據通信，三維自適應低損耗有源光網絡整體結構如圖1所示。

圖1 自適應低損耗三維有源光網絡整體結構

1.1 自適應電配置路由器結構

1.1.1 電配置路由器整體結構

電配置路由器整體結構如圖2所示，輸入緩沖單元通過端口匹配將數據暫存于對應的緩沖單元，路由計算單元根據路由算法計算輸出端口，分配單元對端口請求進行輪詢仲裁，交叉選擇單元主要完成輸入輸出端口之間的連接。其中，路由計算單元決定著路由器性能，主要完成阻塞檢測、路徑建立、響應和撤銷操作。通過端口寄存器對端口是否被占用進行實時監(jiān)控，根據阻塞情況對端口進行二次判斷，最終選擇無阻塞和短距離端口。

圖2 電配置路由器整體結構

1.1.2 基于XYZ路由的自適應路由算法

自適應路由算法基于XYZ確定路由算法，按X、Y和Z方向，依次對目的節(jié)點與源節(jié)點坐標大小進行判斷，得到一個端口方向。再根據端口阻塞情況進行二次判斷，如果端口空閑，直接從該端口輸出；否則，需要從另一個方向再次進行端口判斷。

圖3所示為電配置路由器互連構成的規(guī)模為4行4列3層(4×4×3)的電配置網絡，并對電配置路由器進行坐標定義，用3位有效數字表示，第1位為Z坐標，第2位為Y坐標，第3位為X坐標。圖4所示為自適應路由算法框圖。以源節(jié)點000向目標節(jié)點033通信為例說明路由過程，由于033節(jié)點位于000節(jié)點的右下方，首次判斷端口為東端口，若東端口空閑，從東端口輸出；若東端口被占用，需要按Y方向進行再次判斷，判斷端口為南端口，對南端口阻塞情況進行判斷，若端口空閑則從南端口輸出；若端口被占用，再按Z方向繼續(xù)判斷；當5個方向端口都被占用時，從本地端口輸出，暫存于源節(jié)點，等待路徑釋放。

圖3 自適應路由算法路由示意圖

圖4 自適應路由算法框圖

自適應路由算法在端口空閑時，如同XYZ確定路由算法，算法簡單，效率高；當端口被占用時，提供多種備選路徑，比XYZ確定路由算法復雜。但其避免了數據傳到阻塞端口，路由計算過程所需的時間相比于等待路徑釋放的時間可忽略不計。

1.2 低損耗無阻塞光路由器結構

MR利用波長耦合對經過的光信號進行傳輸方向改變，從而實現90、180和270 °通信。當波導中傳輸的光信號諧振頻率不等于MR的頻率時，MR處于關閉狀態(tài)，光信號沿原來的波導直線傳輸；若傳輸的諧振頻率等于MR的頻率，則MR處于開狀態(tài)，光信號被耦合，光信號傳輸方向發(fā)生偏轉。本文設計6端口光路由器進行層內通信，3端口光路由器進行層間通信，如圖5所示。

圖5 光路由器結構

6端口光路由器包含本地端口(IP core)、垂直(Vertical)、北(North)、南(South)、西(West)和東(East) 6個端口。同方向端口之間不進行數據通信，在表1中用“/”表示；波導直接相連的兩個端口之間不需要MR進行波長耦合，在表1中用“NO”表示；其余端口之間利用MR對光信號傳輸方向進行改變，從而使光信號傳到固定的目的端口。

6端口光路由器僅使用6條波導和13個MR就可以實現任意端口之間無阻塞通信。MR的具體分配如表1所示，當進行North到West端口間通信時，信號從North端口輸入，沿著波導傳輸，當傳輸到MR13時，發(fā)生耦合，信號沿另一波導進行傳輸，到達West端口并輸出。

表1 層內路由器的MR分配

3端口光路由器主要用來實現不同層之間的數據傳輸。其中，通過MR3實現上端口(Up)到Vertical端口之間的通信，MR2實現下端口(Down)到Vertical端口之間的通信，MR1實現Vertical到Up端口之間的通信，MR4實現Vertical到Down端口之間的通信，Up與Down端口之間直接通過波導進行通信。

2 實驗與分析

2.1 電配置路由器性能分析

2.1.1 硬件開銷分析

為了驗證電配置網絡功能的正確性和硬件資源的開銷情況，本文采用Xilinx公司的ISE Design Suite 14.7開發(fā)環(huán)境進行實驗，選用的器件是Virtex6系列xc6vcx550t-ff1759-2芯片。由于電配置網絡是利用相同的電配置路由器互連進行搭建，所以電配置網絡消耗的硬件資源與電配置路由器的數量成正比。表2所示為電配置路由器和圖3所示的4行4列3層(4×4×3)的電配置網絡的資源占用情況。分析結果表明，電配置路由器的時鐘頻率可以達到177.384 MHz，而4×4×3電配置網絡的時鐘頻率可以達到179.848 MHz。

表2 邏輯資源占用情況

2.1.2 路徑延遲分析

為了驗證路由算法的路徑搜索效率，對路由計算性能進行統(tǒng)計。沖突率為某一節(jié)點向另一節(jié)點路徑建立過程中端口沖突的節(jié)點數占總節(jié)點數的百分比。表3所示為不同數量節(jié)點向022節(jié)點通信過程中，完成源節(jié)點000到目的節(jié)點022路徑建立過程所需的時鐘周期數和沖突情況。

表3 路徑建立時間統(tǒng)計

在無阻塞情況下，源節(jié)點000向目的節(jié)點022進行路徑建立，路徑建立時間為8.5個周期。XYZ確定路由算法在路徑阻塞時，需要在一條路徑撤銷后才能進行另一條鏈路的建立。而自適應路由算法在沖突率為37.5%時，路徑建立需要16.5個周期，路徑建立時間減少了44.07%；沖突率為50%時，路徑建立最多需要18.5個周期，路徑建立時間減少了68.91%。

自適應路由算法通過選擇空閑端口作為輸出端口，不需要等待前一條路徑的釋放，相比于XYZ確定路由算法，可能會多經過0～4跳，但節(jié)省了等待路徑響應和撤銷所需的時間；對于整個網絡，采用自適應路由算法進行多路徑通信時，阻塞小、路徑建立周期短。

2.2 光路由器性能分析

2.2.1 硬件開銷分析

表4所示為不同路由器結構所需的元件數量，本文光路由器由于充分利用多耦合MR，一條波導連接不同端口的輸入和輸出，不需要使用光終端，無環(huán)形波導，整個光路由器僅需要13個MR，9個交叉波導和21個彎曲波導。相比于文獻[9]的結構，不需要光終端，MR數量減少一半；相比于文獻[10]的結構，不僅交叉波導和MR的數量較少，且只需要6條波導；與文獻[11]和[12]相比，不需要光終端、交叉波導、彎曲波導和MR數量更少。

表4 不同路由器結構所需元件數量

利用Omnet++開源模擬器搭建網絡結構模擬三維網絡通信，路由器分別采用文獻[9-12]和本文所提出的光路由器。為了保證公平性，層間利用7端口光路由器的垂直端口或4個MR和兩個光終端的層間路由器進行通信。

圖6所示為不同拓撲尺寸的光網絡所需的元件數量。數據表明，在相同規(guī)模的網絡中，利用本文提出的6端口光路由器進行層內通信，3端口光路由器進行層間通信，比文獻[9]的7端口光路由器、文獻[10]、[11]和[12]利用90 °耦合的MR設計的6端口光路由所需的MR數量和光終端數量更少，且隨著拓撲規(guī)模的增加，性能優(yōu)勢更加突出。

圖6 不同拓撲尺寸的光網絡所需的元件數量

2.2.2 插入損耗分析

插入損耗大小主要由光路由器的MR、交叉波導和彎曲波導的數量決定，不同路徑的插入損耗滿足如下的邏輯關系：

式中：Linsert為某一路徑的插入損耗；MR未發(fā)生耦合時的插入損耗值為0.005 dB，用Lthrough表示；MR發(fā)生耦合時的插入損耗值為0.6 dB，用Ldrop表示；交叉波導的插入損耗值為0.16 dB，用Lcross表示；彎區(qū)波導的插入損耗值為0.005 dB/90 °，用Lbend表示；Nthrough、Ndrop、Ncross和Nbend分別為該路徑所經過的兩種狀態(tài)的MR、交叉波導和彎曲波導的數量[13-15]。

圖7(a)所示為各關鍵路徑北邊到南邊端口(N-S)、北邊到本地端口(N-IP)、北邊到垂直端口(N-V)、南邊到北邊端口(S-N)、南邊到本地端口(S-IP)、南邊到垂直端口(S-V)、西邊到北邊端口(W-N)、西邊到南邊端口(W-S)、西邊到東邊端口(W-E)、西邊到本地端口(W-IP)、西邊到垂直端口(W-V)、東邊到北邊端口(E-N)、東邊到南邊端口(E-S)、東邊到西邊端口(E-W)、東邊到本地端口(E-IP)、東邊到垂直端口(E-V)、本地到北邊端口(IP-N)、本地到南邊端口(IP-S)、本地到西邊端口(IP-W)、本地到東邊端口(IP-E)、本地到垂直端口(IP-V) 和垂直到本地端口(V-IP)等的插入損耗；圖7(b)所示為不同路由器結構的最大、最小和平均插入損耗。

圖7 插入損耗分析

本文設計的6端口光路由器結構中77.2%路徑的插入損耗，相比于文獻[10]、[11]和[12]光路由器的插入損耗小；最大插入損耗相比于文獻[10]、[11]和 [12]分別減少了35.43%、19.04%和0.62%；最小插入損耗相比于文獻[10]、[11]和[12]分別減少了44.12%、44.12%和68.33%；平均插入損耗分別減少了21.43%、17.76%和19.27%。

通過多角度耦合MR對傳輸方向進行改變，相比于利用90 ° MR的光路由器所需MR數量少；每條波導連接兩個端口，避免光終端使用；合理安排波導和MR的位置，無環(huán)形波導出現，減少光路由器所需的交叉波導和彎曲波導數量，減少路徑的插入損耗和硬件開銷。

3 結束語

本文提出了一種自適應路由算法，通過增加備選路徑數量和實時的端口阻塞檢測，減少了路徑建立延遲。實現不同沖突率情況下的路徑建立時間相比確定路由算法減少44.07%和68.91%。同時實現了6個節(jié)點向同一目的節(jié)點通信，48個節(jié)點向不同目的節(jié)點無阻塞通信。另外，本文設計了層內6端口光路由器和層間3端口光路由器，6端口光路由器僅使用13個MR、9個交叉波導和21個彎曲波導，平均插入損耗僅有0.88 dB；3端口光路由器結構簡單，僅使用4個波導、4個MR和兩個光終端。利用本文光路由器搭建的光網絡相比其他光路由器硬件開銷小，隨著網絡規(guī)模增大，優(yōu)勢將更加突出。